КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 2014 года по МПК G02B23/00 G01J3/12 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптической промышленности, в частности в оптико-электронных космических телескопах (КТ) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и т.д.

Космический телескоп состоит из объектива, формирующего изображение участка поверхности Земли в фокальной плоскости, где устанавливаются оптико-электронные приемники (ОЭПы), представляющие собой набор ПЗС-матриц, образующих ОЭПы в виде линеек.

При движении космического аппарата космический объектив сканирует поверхность Земли полосой, длина которой определяет полосу захвата В, равную B=(H/f')2у, где Н - высота орбиты, f - фокусное расстояние космического объектива, 2у - длина линейки ОЭПа.

Важной характеристикой космического объектива является величина α' - проекции пикселя «α» ОЭПа на поверхность Земли, характеризующая линейное разрешение: α'=α·H/f'.

Поскольку величина α' обратно пропорциональна фокусному расстоянию f', то для достижения малых размеров величины α' значение фокусного расстояния f' космического объектива строится, приняв максимально большое значение.

Для высокоразрешающих крупногабаритных космических телескопов значение фокусного расстояния f' составляет более 10-15 м, а длина ОЭПов достигает значений 2у≥200÷400 мм.

Необходимым требованием ДЗЗ является съемка поверхности Земли в различных спектральных интервалах.

Известны спектральные модули в виде многозонных интерференционных микросветофильтров [1], устанавливаемых вблизи плоскости чувствительных элементов ПЗС-матриц. Длина зонного микросветофильтра равна длине матрицы, а ширина менее 1-1,5 мм.

Поэтому по ширине матрицы можно установить 3-5 микросветофильтров и тем самым обеспечить мультиспектральную съемку одновременно для 3-5 спектральных диапазонов.

Недостатком такого устройства является ограниченное возможное количество выделяемых спектральных диапазонов из-за технологических возможностей, не превышающих 7-10 зонных микросветофильтров.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является космический телескоп [2], содержащий объектив, оптико-электронные приемники, установленные в фокальной плоскости объектива, и спектрометр.

Спектрометр содержит входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему, содержащую коллиматорный и камерный объективы и диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка, установленная между объективами), и двумерную ПЗС-матрицу, на которой формируется спектральное изображение входной щели.

Недостатком такой системы является крайне малая полоса захвата В, равная $$B=h\frac{H}{f\text{'}}$$ , где h - высота входной щели спектрометра, установленная в фокальной плоскости приемного объектива телескопа с фокусным расстоянием f', обусловленная ограниченным размером h.

Действительно, если h имеет большое значение, например, при f'=10000 мм, Н_орбиты=1000 км, В=25 км, из формулы для В находим h=250 мм. Учитывая, что в спектрометрах фокусные расстояния коллиматорного и камерного объективов равны, то потребуется матрица с высотой стороны, равной h=250 мм, что теоретически и практически нереально.

Кроме того, учитывая, что высота щелей в спектрометрах обычно удовлетворяет условию: h/f'_кол≤0,1, потребуется в спектрометре применить коллиматорный объектив с f'≥2500 мм, что делает спектрометр недопустимо большим по габаритам.

В случае уменьшения фокусного расстояния объектива телескопа f', как видно из формулы α'=α·H/f', проекция пикселя на поверхность Земли увеличивается, что снижает основной тактический параметр космического телескопа для ДЗЗ.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение полосы захвата В космического телескопа при малых размерах изображений пикселов ОЭПов на поверхности Земли и малых габаритах спектрометров.

Для решения поставленной задачи предлагается космический телескоп, который, как и прототип, содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему.

В отличие от прототипа спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т, а фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным $$\frac{T}{2n}$$ .

Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система содержит линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку с радиусом кривизны R, удовлетворяющим условию: $$R\le \frac{T}{2nA\text{'}}$$ , где А' - задняя апертура объектива космического телескопа.

Кроме того, объектив космического телескопа выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций с фокусным расстоянием f'_лк, удовлетворяющим условию: $$f{\text{'}}_{ЛК}=d_{ЛК}+\frac{R_{B3}d}{2d+R_{ВЗ}}$$ , где d_лк - расстояние от вторичного зеркала до линзового корректора, R_BЗ - радиус кривизны при вершине вторичного зеркала, d - расстояние между главным и вторичным зеркалами.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения космического телескопа, в котором спектрометр выполнен в виде двух взаимно параллельных щелей высотой Т, установленных вблизи друг к другу в фокальной плоскости объектива, и n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным $$\frac{T}{2n}$$ , каждая мини-фокусирующая диспергирующая система содержит линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку с радиусом кривизны R, удовлетворяющим условию: $$R\le \frac{T}{2nA\text{'}}$$ , где А' - задняя апертура объектива космического телескопа, создается возможность установки в фокальной плоскости объектива космического телескопа больших по высоте щелей размером Т=nh, где h - высота щели мини-фокусирующих диспергирующих систем, обеспечивающих требуемую полосу захвата $$B=h\frac{H}{f\text{'}}$$ и малые проекции пикселя на поверхность Земли, определяемые значением фокусного расстояния f' объектива космического телескопа, а также малые габариты фокусирующих диспергирующих систем, длина которых не превышает радиуса R дифракционной решетки.

Применение двух взаимно параллельных щелей, установленных вблизи друг друга в фокальной плоскости объектива космического телескопа, и n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным $$\frac{T}{2n}$$ , позволяет исключить затенение между изображениями от каждой мини-фокусирующей диспергирующей системы в зонах их стыков, обеспечивая при съемке поверхности Земли щелью высотой, равной Т, равномерное по освещенности изображение без затененных полос между мини-фокусирующими диспергирующими системами.

Выполнение объектива космического телескопа из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций с фокусным расстоянием f'_лк, удовлетворяющим условию: $$f{\text{'}}_{ЛК}=d_{ЛК}+\frac{R_{B3}d}{2d+R_{ВЗ}}$$ , где d_лк - расстояние от вторичного зеркала до линзового корректора, R_BЗ - радиус кривизны при вершине вторичного зеркала, d - расстояние между главным и вторичным зеркалами, позволяет обеспечить телецентрический ход лучей в пространстве изображений и обеспечить бесстыковочное изображение поверхности Земли на границах между изображениями от каждой из мини-фокусирующих диспергирующих систем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлена оптическая схема спектрометра, на фиг.2 -представлена оптическая установка объектива космического телескопа с линзовым корректором полевых аберраций, и Приложением 1, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики мини-фокусирующей диспергирующей системы, а также Приложением 2, в котором приведены конструктивные параметры и оптические характеристики зеркального линзового объектива.

На фиг.1 в фокальной плоскости 1 объектива космического телескопа (на фиг.1 не показанного) установлены две взаимно параллельные друг другу щели 2, 3 и по высоте щелей по n мини-фокусирующих диспергирующих систем. Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система состоит из линзы-коллектива 4, 5, вогнутых дифракционных решеток 6, 7, матричных ОЭПов 8, 9 и плоских зеркал 10.

Для упрощения на чертеже показаны только две мини-диспергирующие системы по одной на каждой из щелей и возможные для компоновки плоские зеркала в схемах мини-фокусирующих диспергирующих систем. Высота h работающей части щели мини-фокусирующей диспергирующей системы равна h=T/2n. Радиус кривизны R вогнутой дифракционной решетки удовлетворяет условию $$R\le \frac{T}{2nA\text{'}}$$ , при котором геометрический размер дифракционной решетки меньше Т/n, что обеспечивает их установку без переналожения.

Наиболее распространенная оптическая схема объектива космического телескопа, выполненная из главного вогнутого 11 и вторичного выпуклого зеркал 12, обычно гиперболической формы и линзового корректора полевых аберраций 13, установленного перед фокальной плоскостью, при выполнении условия, при котором фокусное расстояние линзового корректора f'_лк:

$$f{\text{'}}_{ЛК}=d_{ЛК}+\frac{R_{B3}d}{2d+R_{ВЗ}}$$ , где d_лк - расстояние от вторичного выпуклого зеркала 12 до линзового корректора 13, R_вз - радиус кривизны при вершине вторичного выпуклого зеркала 12, d - расстояние между главным вогнутым 11 и вторичным выпуклым 12 зеркалами, обеспечивает телецентрический ход лучей в пространстве изображений. Т.е. передний фокус линзового корректора 13 совмещен с изображением апертурной диафрагмы О' объектива космического телескопа, совпадающей с поверхностью главного вогнутого зеркала 11, даваемой вторичным выпуклым зеркалом 12.

За фокальной плоскостью 1 объектива космического телескопа установлены две мини-фокусирующие диспергирующие системы.

Телецентрический ход лучей в пространстве изображений полностью исключает затененные (виньетируемые) зоны изображения от мини-фокусирующих диспергирующих систем на стыках между ними.

Работа предлагаемого космического телескопа осуществляется следующим образом.

Объект расположен на бесконечно большом расстоянии от объектива космического телескопа. Участок поверхности Земли параллельными лучами света проектируется в фокальную плоскость 1 объектива и вырезается двумя взаимно параллельными друг другу щелями 2 и 3, тем самым при движении космического телескопа осуществляется сканирование поверхности Земли полосой захвата $$B=\frac{TH}{f\text{'}}$$ .

Каждая из щелей 2 и 3 разделена по высоте на n частей. Высота h=T/2n равна высоте щели для мини-фокусирующих диспергирующих систем 4, 6, 8 и 5, 7, 9. Вогнутая дифракционная решетка изображает входную щель высотой h на матричном приемнике и раскладывает ее изображение по спектру в диапазоне длин волн от λ₁ до λ₂.

Мини-фокусирующие диспергирующие системы расположены в шахматном порядке: нечетные мини-фокусирующие диспергирующие системы в количестве Т/n расположены, например, по щели 3, а четные - соответственно по щели 2.

Таким образом, полоса захвата шириной В изображается на n мини-фокусирующих диспергирующих системах и на n матричных приемниках, образуя $$N=\frac{{\lambda }_1-{\lambda }_2}{\delta \lambda }$$ , где δλ - разрешаемый спектральный интервал спектральных изображений полосы захвата, т.е. обеспечивает выделение большого количества спектральных диапазонов, или гиперспектральную съемку.

Одновременно со щелями 2 и 3 в фокальной плоскости устанавливаются ОЭПы для регистрации изображений в широких диапазонах спектра, например панхроматической с λ₁-λ₂=500-800 мм и другие.

Таким образом, предлагаемый космический телескоп позволяет съемку поверхности Земли в широком спектральном интервале (панхроматическая съемка), в средних спектральных интервалах (например, R, G, В) для получения цветных снимков, осуществляет гиперспектральную съемку, в большом количестве (более 20-30) спектральных интервалах при сохранении полосы захвата В и проекции пиксела, обеспечиваемых объективом космического телескопа.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. A.M.Савицкий, M.H.Сокольский. Космический телескоп нового поколения для дистанционного зондирования Земли. Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли. Материалы YII научно-технической конференции. Москва, 2010 г., с. 61.

2. Г.Г.Горунов, Д.Н.Еськов, Н.В.Рябова, А.Г.Серегин. Новое применение Фурье-спектрометров с многоэлементными приемниками. Оптический журнал V 72, №8, август 2005 г., с. 71 - прототип.

Телескоп может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему. Спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т. Фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным $$\frac{T}{2n}$$ . Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система может содержать линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку. Объектив телескопа может быть выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций. Технический результат - увеличение полосы захвата космического телескопа при малых размерах изображений пикселей ОЭПов на поверхности Земли и малых габаритах гиперспектральной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 прил.

1. Космический телескоп, содержащий объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему, отличающийся тем, что спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т, а фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным $$\frac{T}{2n}$$ .

2. Космический телескоп по п.1, отличающийся тем, что каждая мини-фокусирующая диспергирующая система содержит линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку с радиусом кривизны R, удовлетворяющим условию: $$R\le \frac{T}{2nA\text{'}}$$ ,
где А' - задняя апертура объектива космического телескопа.

3. Космический телескоп по п.1, отличающийся тем, что объектив космического телескопа выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций с фокусным расстоянием f'_лк, удовлетворяющим условию: $$f{\text{'}}_{ЛК}=d_{ЛК}+\frac{R_{B3}d}{2d+R_{ВЗ}}$$ ,
где d_лк - расстояние от вторичного зеркала до линзового корректора, R_вз - радиус кривизны при вершине вторичного зеркала, d - расстояние между главным и вторичным зеркалами.